Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης. Τµήµα Πληροφορικής

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Τµήµα Πληροφορικής Πτυχιακή εργασία Χατζηπαρασκεύα Αρτεµισία Α.Μ 819 Ανάπτυξη Εκπαιδευτικής Εφαρµογής µε αντικείµενο τα Ψηφιακά Συστήµατα Επιβλέπων: Αναπληρωτής Καθηγητής Λιναρδής Παναγιώτης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2008

2 Πίνακας Περιεχοµένων Εισαγωγή Κεφάλαιο Ψηφιακά Συστήµατα Λειτουργικά χαρακτηριστικά ψηφιακών κυκλωµάτων VHDL 12 2 Κεφάλαιο Τεχνική Ανάλυση Πως γίνεται η εκπαίδευση Κεφάλαιο Βασικές έννοιες σχεδίασης Εισαγωγή στα λογικά κυκλώµατα Τεχνολογίες Υλοποίησης Βελτιστοποίηση της υλοποίησης λογικών κυκλωµάτων Παράσταση αριθµών και αριθµητικά κυκλώµατα οµικές βαθµίδες συνδυαστικών κυκλωµάτων Flip-Flops, καταχωρητές, µετρητές και ένας απλός επεξεργαστής Σύγχρονα Ακολουθιακά Κυκλώµατα Ασύγχρονα Ακολουθιακά Κυκλώµατα Σχεδίαση ψηφιακών συστηµάτων Έλεγχος λογικών κυκλωµάτων...55 Βιβλιογραφία 59 1

3 Εισαγωγή Η παρούσα διπλωµατική εργασία ασχολείται µε την δηµιουργία ενός εκπαιδευτικού υλικού σε µορφή παρουσιάσεων που πραγµατεύεται τη µελέτη και σχεδίαση των ψηφιακών κυκλωµάτων. Στόχος της διπλωµατικής εργασίας είναι να αποτελέσει ένα βοηθητικό εγχειρίδιο στην σχεδίαση συστηµάτων ψηφιακής λογικής. Το συγκεκριµένο θέµα είναι από τα βασικά αντικείµενα σπουδών τόσο στο τοµέα της πληροφορικής όσο και στο τοµέα των µηχανικών ηλεκτρονικών υπολογιστών. Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό προσπαθεί να αντιµετωπίσει τη δυσκολία που συναντούν φοιτητές και σπουδαστές που ασχολούνται µε το συγκεκριµένο τοµέα µιας και η ύλη και το εύρος των θεµάτων που θίγονται στο παρόν συγγράµµατα είναι µεγάλη και από τη φύση της δύσκολή. Το εκπαιδευτικό υλικό έρχεται να συµβάλει στη καλύτερη κατανόηση των βασικών θεµάτων αφού παρουσιάζει την ύλη µε µια αφαιρετική προσέγγιση προσπαθώντας να επισηµάνει την ουσία. Ο επιθυµητός στόχος για αυτό το υλικό είναι οι φοιτητές που θα το µελετήσουν να κατανοήσουν τις βασικές έννοιες της κλασσικής µεθόδου σχεδίασης ψηφιακών κυκλωµάτων µε το χέρι. Ένας άλλος στόχος επίσης είναι να αντιληφθούν οι φοιτητές τον τρόπο λειτουργίας των ψηφιακών κυκλωµάτων µε τη βοήθεια απλών παραδειγµάτων που αφορούν τη σχεδίαση κυκλωµάτων. Το παρόν υλικό περιλαµβάνει µια σύντοµη αναφορά στις σύγχρονές τεχνολογίες υλοποίησης ψηφιακών κυκλωµάτων. Συγκεκριµένα στης τεχνολογίες κατασκευής σύµφωνα µε τις επιθυµίες του πελάτη (semicustom και full custom). 2

4 Επίσης γίνεται αναφορά στις διατάξεις προγραµµατιζόµενης λογικής (programmable logic devices, PLDs). Χρησιµοποιούνται τα δύο δηµοφιλέστερα είδη διατάξεων PLD για υλοποίηση που είναι τα περίπλοκα PLDs (CPLDs) και τις διατάξεις πυλών προγραµµατιζόµενου πεδίου (FPGA). Συνοπτική περιγραφή κεφαλαίων Κεφάλαιο 1. Παρουσιάζεται µια γενική εισαγωγή στη διαδικασία της σχεδίασης ψηφιακών κυκλωµάτων και περιγράφονται τα κύρια σηµεία της διαδικασίας σχεδίασης. Κεφάλαιο2. Παρουσιάζονται οι βασικές αρχές των ψηφιακών κυκλωµάτων. Παρουσιάζεται η άλγεβρα Boole για την ανάπτυξη αυτών των κυκλωµάτων καθώς επίσης και µια εισαγωγή της γλώσσας VHDL. Κεφάλαιο3. Παρουσιάζονται οι αρχές ηλεκτρονικής που διέπουν τα ψηφιακά κυκλώµατα. Συγκεκριµένα περιγράφεται η ανάπτυξή των λογικών πυλών µε τη βοήθεια τρανζίστορ. Επίσης παρουσιάζονται διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν τις επιδόσεις των κυκλωµάτων. 3

5 Κεφάλαιο 4. Παρουσιάζονται όλα τα ζητήµατα που αφορούν τη σύνθεση συνδυαστικών κυκλωµάτων, από το αρχικό σχέδιο στη δηµιουργία του επιθυµητού κυκλώµατος. Κεφάλαιο 5. Παρουσιάζονται κυκλώµατα που εκτελούν αριθµητικές πράξεις. Κεφάλαιο 6. Παρουσιάζονται τα δοµικά συνδυαστικά κυκλώµατα που χρησιµοποιούνται, όπως ο κωδικοποιητής, αποκωδικοποιητής και πολυπλέκτης. Τα κυκλώµατα αυτά είναι ιδιαίτερα χρήσιµα στις εφαρµογές της γλώσσας VHDL. Κεφάλαιο 7. Παρουσιάζονται τα στοιχεία αποθήκευσης. Παρουσιάζεται η χρήση των flip-flop όπως οι καταχωρητές ολίσθησης και οι µετρητές. Κεφάλαιο 8. Παρουσιάζονται η συµπεριφορά αλλά και οι τεχνικές σχεδίασης των σύγχρονων ακολουθιακών κυκλωµάτων. Κεφάλαιο 9. Περιγράφονται τα ασύγχρονα ακολουθιακά κυκλώµατα και τα κύρια χαρακτηριστικά τους. Κεφάλαιο 10. Παρουσιάζονται ζητήµατα και προβλήµατα που προκύπτουν κατά την σχεδίαση πραγµατικών συστηµάτων. Κεφάλαιο 11. Παρουσιάζεται η έννοια και η ανάγκη του έλεγχου στη σχεδίαση ψηφιακών κυκλωµάτων. 4

6 Κεφάλαιο Ψηφιακά Συστήµατα Τα ψηφιακά συστήµατα αποτελούνται από ένα πλήθος ψηφιακών κυκλωµάτων. Τα ψηφιακά κυκλώµατα αποτελούν τη βάση των υπολογιστών (αλλά και όχι µόνο) δηλαδή το υλικό των υπολογιστών (hardware). Τα ψηφιακά κυκλώµατα χρησιµοποιούνται για την υλοποίηση λογικών συναρτήσεων και την αποθήκευση ψηφιακών δεδοµένων. Τυπικά παραδείγµατα τέτοιων κυκλωµάτων αποτελούν οι λογικές πύλες, οι µικρό-επεξεργαστές και οι ηµιαγωγικές µνήµες. Ψηφιακά ηλεκτρονικά κυκλώµατα χρησιµοποιούνται επίσης για τη µετάδοση της πληροφορίας και την αλληλεπίδραση µε τα φυσικά µεγέθη του περιβάλλοντος (αναλογικά σήµατα). Τα πρώτα ψηφιακά κυκλώµατα (δεκαετία 50) υλοποιούσαν απλές λογικές πύλες χρησιµοποιώντας διακριτά στοιχεία (τρανζίστορ, διόδους και αντιστάσεις). Στα µέσα της δεκαετίας του 60 εµφανίστηκαν τα πρώτα εµπορικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα λογικής, τα οποία περιείχαν 2-10 λογικές πύλες. Η ολοκλήρωση των κυκλωµάτων αυτών χαρακτηρίζεται ως µικρής κλίµακας (small scale integration SSI). Τα αµέσως επόµενα χρόνια (δεκαετία 70) τα ψηφιακά κυκλώµατα πέρασαν από τη ολοκλήρωση µεσαίας κλίµακας (medium scale integration MSI) των λογικών πυλών (καταχωρητές, µετρητές κ.ά.) στην ολοκλήρωση µεγάλης κλίµακας (large scale integration LSI) µε έως και 5

7 1000 πύλες. Κατά την περίοδο αυτή εµφανίστηκαν τα πρώτα κυκλώµατα µικροεπεξεργαστών και ηµιαγωγικών µνηµών. Στη δεκαετία του 80 εµφανίστηκαν ψηφιακά κυκλώµατα µε περισσότερες από πύλες (very large scale integration VLSI) και η χωρητικότητα των ηµιαγωγικών µνηµών έφτασε τα 4Mbit ανά ολοκληρωµένο κύκλωµα. Νέες τεχνικές σχεδίασης εµφανίστηκαν για να επιτευχθεί µείωση της χρησιµοποιούµενης επιφάνειας πυριτίου, του χρόνου σχεδίασης και της κατανάλωσης ισχύος. Κατά τη δεκαετία του 90 η κλίµακα ολοκλήρωσης ξεπέρασε το 1 εκατοµµύριο πύλες ανά ολοκληρωµένο κύκλωµα και οι µεθοδολογίες σχεδίασης βελτιώθηκαν σηµαντικά. Τα πρόσφατα ψηφιακά κυκλώµατα µικροεπεξεργαστών αποτελούνται από 40 εκατοµµύρια και πλέον τρανζίστορ, ενώ η χωρητικότητα των ηµιαγωγικών µνηµών ανέρχεται στα 256Mbit ανά ολοκληρωµένο κύκλωµα. Τα πλεονεκτήµατα της ολοένα αυξανόµενης ολοκλήρωσης των ψηφιακών κυκλωµάτων είναι η αύξηση της λειτουργικότητας και της ταχύτητας, µε ταυτόχρονη µείωση των διαστάσεων και του κόστους παραγωγής. Τα κυκλώµατα τεχνολογίας CMOS είναι ιδανικά στην περίπτωση αυτή, διότι οι διατάξεις τους αλλά και η πολύ χαµηλή κατανάλωση ισχύος που παρουσιάζουν, επιτρέπει την πολύ υψηλή ολοκλήρωση των κυκλωµάτων αυτών. Παράλληλα µε την εξέλιξη της τεχνολογίας των ψηφιακών κυκλωµάτων, αναπτύσσονται επίσης και οι παρεµφερείς τεχνολογίες, όπως των συσκευασιών (packages) των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων και των αγωγών µετάδοσης των σηµάτων, για να υποστηρίξουν τα σηµερινά ψηφιακά συστήµατα υψηλών ταχυτήτων. 6

8 Πριν 30 περίπου χρόνια ο Gordon Μoore παρατήρησε ότι η τεχνολογία ολοκληρωµένων κυκλωµάτων εξελίσσονταν µε πολύ µεγάλους ρυθµούς, διπλασιάζοντας τον αριθµό των τρανζίστορ που µπορούσαν να χωρέσουν µέσα σε ένα ολοκληρωµένο κύκλωµα κάθε 1,5 µε 2 χρόνια. Το φαινόµενο αυτό είναι γνωστό ως Νόµος του Moore και συνεχίζει να ισχύει ως και σήµερα. Ο νόµος του Moore αναµένεται να ισχύει καθ όλη την επόµενη δεκαετία. Μια ένωση των εταιριών κατασκευής ολοκληρωµένων κυκλωµάτων, που ονοµάζεται Semiconductor Industry Association (SIA), παρέχει εκτιµήσεις του τρόπου µε τον οποίο θα εξελιχθεί αυτή η τεχνολογία. Οι εκτιµήσεις αυτές είναι γνωστές ως χάρτης SIA (SIA roadmap) και προβλέπουν την ελάχιστη επιφάνεια που θα καταλαµβάνει ένα τρανζίστορ µέσα σε ένα ολοκληρωµένο κύκλωµα. Οι σχεδιαστές ψηφιακών κυκλωµάτων ενδέχεται να έχουν ως αντικείµενο τη σχεδίαση λογικών κυκλωµάτων που πρέπει να τοποθετηθούν σε ένα ενιαίο τσιπ, ή πιο πιθανό, τη σχεδίαση κυκλωµάτων που περιλαµβάνουν περισσότερα από ένα ολοκληρωµένα κυκλώµατα και τοποθετούνται σε µία πλακέτα τυποποιηµένου κυκλώµατος (printed circuit board, PCB). 7

9 Υπάρχει µεγάλη ποικιλία ολοκληρωµένων κυκλωµάτων, τα οποία εκτελούν διάφορες λειτουργίες και είναι χρήσιµα στη µελέτη σύνθετων ψηφιακών κυκλωµάτων. Τα ολοκληρωµένα εκτείνονται από πολύ απλά χαµηλής λειτουργικότητας έως εξαιρετικά περίπλοκα ολοκληρωµένα κυκλώµατα. Για παράδειγµα, ένα προϊόν υψηλής τεχνολογίας µπορεί να χρειάζεται ένα επεξεργαστή, οποίος να εκτελεί µερικές αριθµητικές πράξεις, ολοκληρωµένα κυκλώµατα µνήµης για την αποθήκευση αποτελεσµάτων και ολοκληρωµένα κυκλώµατα διασύνδεσης προς συσκευές εισόδου-εξόδου. Τέτοια κυκλώµατα διατίθενται στην αγορά από διάφορες κατασκευαστικές εταιρίες Λειτουργικά χαρακτηριστικά ψηφιακών κυκλωµάτων Τα ψηφιακά κυκλώµατα διαχειρίζονται την πληροφορία ως µία σειρά από διακριτά ψηφία σε αντίθεση µε τα αναλογικά κυκλώµατα, τα οποία επεξεργάζονται µεγέθη από ένα συνεχές πεδίο τιµών. Η πλειοψηφία των ψηφιακών συστηµάτων χρησιµοποιεί δύο µόνον ψηφία, υλοποιώντας τη δυαδική λογική. Στα ψηφιακά ηλεκτρονικά κυκλώµατα κάθε δυαδικό ψηφίο (λογική κατάσταση 0 και 1) αντιπροσωπεύεται από µία φυσική ποσότητα τάσης ή ρεύµατος. Για την αποφυγή σφαλµάτων λόγω της αναπόφευκτης παρουσίας θορύβου σε κάθε ψηφιακό κύκλωµα, η τάση ή το ρεύµα που αντιστοιχεί σε κάθε δυαδικό στοιχείο δεν έχει µία συγκεκριµένη τιµή αντιθέτως, κάθε λογική κατάσταση αντιστοιχεί σε µία προκαθορισµένη περιοχή τιµών τάσης ή ρεύµατος. Οι περιοχές αυτές προσδιορίζουν τις λογικές στάθµες των δύο ψηφίων. 8

10 Τα ψηφιακά κυκλώµατα λειτουργούν µε τέτοιον τρόπο, ώστε να απορρίπτεται κάθε προστιθέµενος θόρυβος, εφόσον αυτός είναι µικρότερος από ένα προκαθορισµένο επίπεδο. Για παράδειγµα, εάν στην ονοµαστική στάθµη τάσης V0 του λογικού ψηφίου 0 προστεθεί θόρυβος VN, το αποτέλεσµα V0 + VN θα εξακολουθήσει να αντιπροσωπεύει το ψηφίο 0, εάν συνεχίζει να βρίσκεται µέσα στην προκαθορισµένη περιοχή τιµών του ψηφίου 0. Ακόµη πιο σηµαντικό είναι το γεγονός ότι, εάν το V0 +VN οδηγηθεί στην είσοδο ενός ψηφιακού κυκλώµατος, το αποτέλεσµα στην έξοδο θα έχει αποκατασταθεί στην τιµή V0, ή αλλιώς θα έχει αναγεννηθεί. Η αναγέννηση του ψηφιακού σήµατος µεταξύ των διαφόρων βαθµίδων των ψηφιακών κυκλωµάτων είναι µία πολύ σηµαντική ιδιότητα, η οποία αποτρέπει τη συσσώρευση των επιδράσεων του θορύβου πάνω στο σήµα και εµποδίζει τη µετάδοση των αλλοιώσεων στις επόµενες βαθµίδες. Τα ψηφιακά ηλεκτρονικά κυκλώµατα αντλούν την απαιτούµενη ενέργεια για τη λειτουργία τους και την αναγέννηση του σήµατος µέσω δύο γραµµών τροφοδοσίας. Η θετικότερη συµβολίζεται µε VCC, ενώ η αρνητικότερη (γείωση GND) αποτελεί συνήθως (όχι πάντοτε) την τάση αναφοράς (0V) του συστήµατος. Τα ψηφιακά κυκλώµατα χρησιµοποιούν ηµιαγωγούς (τρανζίστορ) ως ενεργά στοιχεία-διακόπτες για την υλοποίηση της δυαδικής λογικής. Τα τρανζίστορ αυτά λειτουργούν συνήθως σε καταστάσεις αγωγήςαποκοπής ( ON και OFF ). 9

11 Στα σύγχρονα ολοκληρωµένα ψηφιακά κυκλώµατα χρησιµοποιούνται κυρίως τρανζίστορ CMOS, λόγω του µεγάλου βαθµού ολοκλήρωσης που επιτρέπουν, ενώ τρανζίστορ διπολικής επαφής (BJT) χρησιµοποιούνται σε εξειδικευµένα κυκλώµατα πολύ υψηλής ταχύτητας. Όπως ειπώθηκε προηγουµένως, η µετάδοση της ψηφιακής πληροφορίας µεταξύ των βαθµίδων των ψηφιακών κυκλωµάτων, είτε αυτές βρίσκονται εντός του ιδίου ολοκληρωµένου κυκλώµατος είτε σε διαφορετικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα, προϋποθέτει την κωδικοποίηση των λογικών καταστάσεων σε ποσότητες τάσης ή ρεύµατος. Η κωδικοποίηση αυτή µπορεί να είναι µονοπολική (unipolar) ή διπολική (bipolar). Στη µονοπολική αναπαράσταση οι δύο λογικές καταστάσεις κωδικοποιούνται σε παρουσία ή όχι της φυσικής ποσότητας (π.χ. λογικό 1 = 5V, λογικό 0 = 0V). Στη διπολική αναπαράσταση οι λογικές καταστάσεις αντιπροσωπεύονται από συµµετρικά αντίθετες τιµές (π.χ. λογικό 1 = +2mA, λογικό 0 = -2mA). Η µετάδοση της δυαδικής πληροφορίας από το ένα ψηφιακό κύκλωµα στο άλλο επιτυγχάνεται µέσω ενός αγωγού, ο οποίος διασύνδεει την έξοδο του κυκλώµατος αποστολής (οδηγών κύκλωµα driver) µε την είσοδο του κυκλώµατος λήψης (οδηγούµενο κύκλωµα receiver ). Ο αγωγός αυτός µπορεί να βρίσκεται πάνω σε τυπωµένο κύκλωµα ή να αποτελείται από κάποιο είδος καλωδίου. Η µετάδοση ενός σήµατος συµβαίνει στην πραγµατικότητα µέσα από ένα ζεύγους αγωγών, ακόµα κι όταν αυτό δεν είναι φανερό, όπως για παράδειγµα στο τυπωµένο κύκλωµα, όπου ο δεύτερος αγωγός είναι η κοινή γείωση µεταξύ οδηγούντος και οδηγούµενου κυκλώµατος. 10

12 Σχήµα 1-1 Κατά τη µετάδοση µέσω τάσης (σχήµα 1-1α) το οδηγών κύκλωµα εισάγει στον αγωγό διασύνδεσης µία στάθµη τάσης. Το κύκλωµα λήψης συγκρίνει την τάση αυτή µε µία τάση κατωφλίου και εξάγει τη λογική κατάσταση του εισερχόµενου σήµατος. Η τάση κατωφλίου βρίσκεται συνήθως στο µέσον µεταξύ χαµηλής και υψηλής στάθµης. Η γείωση χρησιµοποιείται ως κοινή στάθµη αναφοράς, τόσο για τη στάθµη του µεταδιδόµενου σήµατος, όσο και για την τάση κατωφλίου στο κύκλωµα λήψης. Παρόµοια είναι και η µετάδοση µέσω ρεύµατος (σχήµα 1-1β), το οποίο κυκλοφορεί στον αγωγό διασύνδεσης ανάλογα µε το µεταδιδόµενο ψηφίο. Στην περίπτωση αυτή, το ρεύµα οδηγείται σε µία αντίσταση στο κύκλωµα λήψης και η τάση που αναπτύσσεται στα άκρα της αντίστασης αυτής χρησιµοποιείται για την εξαγωγή της κατάστασης του εισερχόµενου ψηφίου. Τα παραδείγµατα µετάδοσης, τα οποία αναφέρθηκαν προηγουµένως, χρησιµοποιούν έναν αγωγό (και τη γείωση) για τη µετάδοση του σήµατος (singleended transmission). Μια εναλλακτική µέθοδο αποτελεί η λεγόµενη διαφορική µετάδοση (differential transmission). Η διαφορική µετάδοση χρησιµοποιεί δύο αγωγούς για τη µετάδοση ενός σήµατος, µε 11

13 κάθε αγωγό να µεταφέρει το συµπληρωµατικό σήµα του άλλου. Η διαφορική µετάδοση παρουσιάζει µεγαλύτερη ανοχή στον θόρυβο. 1.2 VHDL Η VHDL είναι µία γλώσσα περιγραφής υλικού για την ανάπτυξη ολοκληρωµένων ψηφιακών ηλεκτρονικών κυκλωµάτων και συστηµάτων. Ως λέξη αποτελεί συντόµευση των λέξεων: VHSIC Hardware Description Language. Τα δε αρχικά VHSIC είναι µε τη σειρά τους συντόµευση για Very High-Speed Integrated Circuit (Ολοκληρωµένα Κυκλώµατα Υψηλής Ταχύτητας). Η VHDL ως γλώσσα προγραµµατισµού µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την περιγραφή της συµπεριφοράς, της δοµής αλλά και της εφαρµογής ψηφιακών συστηµάτων. Με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά η VHDL χαρακτηρίζεται σαν ένα εργαλείο ECAD (Electronic Computer Aided Design). Γενικά, σήµερα, η χρήση εργαλείων CAD έχει επεκταθεί καθώς η τεράστια ανάπτυξη της τεχνολογίας ηµιαγωγών στην κατασκευή ολοκληρωµένων κυκλωµάτων έχει µετατοπίσει το κέντρο βάρους των µηχανικών από την λεπτοµερειακή υλοποίηση κυκλωµάτων στην διαχείριση της αυξανόµενης πολυπλοκότητας. Πιο συγκεκριµένα στη σηµερινή εποχή ο µηχανικός-σχεδιαστής, περιορίζεται περισσότερο από την δυνατότητά του να αντεπεξέλθει την πολυπλοκότητα της σχεδίασης του παρά από την ικανότητα της τεχνολογίας να την υποστηρίξει. Αυτό το χάσµα έρχεται να γεφυρώσει η VHDL επιτρέποντας µια υψηλού επιπέδου περιγραφή (Abstract) της σχεδίασης και κατόπιν µε την χρήση εργαλείων σύνθεσης (Logic Synthesis Tools) την αυτόµατη αποτύπωση αυτής της σχεδίασης σε ολοκληρωµένη µορφή η οποία να είναι εντός 12

14 των προδιαγραφών που θέτει ο µηχανικός. Η γλώσσα VHDL είναι η πρότυπη βιοµηχανική γλώσσα περιγραφής ψηφιακών κυκλωµάτων. Μια πρώτη έκδοση του προτύπου αυτού έγινε γνωστή το 1987 µε το όνοµα IEEE11076, ενώ αργότερα το 1993 εµφανίστηκε µια βελτιωµένη έκδοσή της µε το όνοµα IEEE1164. Θα πρέπει να σηµειώσουµε επίσης ότι η γλώσσα αυτή έχει κληρονοµήσει πολλά στοιχεία από τη γλώσσα προγραµµατισµού ADA. 13

15 Κεφάλαιο Τεχνική Ανάλυση Για την ανάπτυξη του εκπαιδευτικού υλικού χρησιµοποιήθηκε το πρόγραµµα παρουσιάσεων Microsoft Power Point 2007.Το αρχείο µορφοποιήθηκε σε µορφή (.ppt) συµβατή και σε προηγούµενες εκδόσεις του Microsoft Power Point. To power point είναι ένα επαγγελµατικό πρόγραµµα παρουσιάσεων µε το οποίο είναι εφικτή η δηµιουργία διαφανειών που περιέχουν κείµενο, γραφήµατα, εικόνες, διαγράµµατα, ήχους, video και κίνηση. Προσφέρει µια ευελιξία στη σχεδίαση, χρησιµοποιώντας οδηγούς και πρότυπα επιτρέποντας την εύκολη ανάπτυξη του υλικού. Το συγκεκριµένο πρόγραµµα προτιµήθηκε εξαιτίας της ευκολίας στην ανάπτυξη και σχεδίαση του περιεχοµένου των διαφανειών. Το πρόγραµµα επιτρέπει την εύκολη σχεδίαση σχηµάτων και τη συµβατή προσθήκη εικόνων και διαγραµµάτων. Για τα ψηφιακά κυκλώµατα αυτό είναι πολύ σηµαντικό µιας και η δηµιουργία σχηµάτων για την περιγραφή της λειτουργίας κυκλωµάτων κρίνεται απαραίτητη. Επίσης οι στόχοι του προγράµµατος συγκλίνουν σε µεγάλο βαθµό µε τους στόχους που έχουν τεθεί για τη συγκεκριµένη εργασία που είναι η παρουσίαση του υλικού σε αίθουσα ή σε αµφιθέατρο µε ταυτόχρονη διάλεξη του διδάσκοντα καθώς προσφέρει ευελιξία στον τρόπο παρουσίασης. Ένας ακόµα λόγος για την επιλογή του Power Point είναι γιατί είναι πολύ διαδεδοµένο σαν πρόγραµµα παρουσίασης, όπου περιλαµβάνεται στο πακέτο office της Microsoft αλλά είναι συµβατό και σε πακέτα ελεύθερου λογισµικού (open office) θα µπορούσαµε να πούµε ότι κάθε υπολογιστής έχει εγκατεστηµένο το συγκεκριµένο πρόγραµµα. 14

16 Έτσι αφού το εκπαιδευτικό υλικό προορίζεται κυρίως για φοιτητές και σπουδαστές το συγκεκριµένο πρόγραµµα φαίνεται ως το κατάλληλο. Για την ανάπτυξη του υλικού χρησιµοποιήθηκαν εργαλεία και πρότυπα που προσφέρει το πρόγραµµα. Περιγραφικά µπορούµε αναφέρουµε ότι χρησιµοποιήθηκαν οι εξής λειτουργίες-εργαλεία : ηµιουργία, τροποποίηση και µορφοποίηση διαφανειών κειµένου Χρησιµοποιήθηκαν τα εργαλεία σχεδίασης για πρόσθεση γραφικών Χρησιµοποιήθηκαν τα εργαλεία clip art και εικόνες για εισαγωγή και προσθήκη γραφικών σε διαφάνειες ηµιουργία διαφανειών µε γραφήµατα και σχεδιαγράµµατα. Χρησιµοποιήθηκαν δεδοµένα από και προς άλλες εφαρµογές Μεταβολή των βασικών ρυθµίσεων της εφαρµογής, όπως τις ιδιότητες της παρουσίασης και της θέσης του προκαθορισµένου φακέλου για άνοιγµα / αποθήκευση των παρουσιάσεων Εφαρµόστηκαν και τροποποιήθηκαν τα πρότυπα σχεδίασης στη παρουσίαση Χρησιµοποιήθηκε το υπόδειγµα διαφανειών ηµιουργήθηκαν σχήµατα χρησιµοποιώντας τα εργαλεία σχεδίασης Εισήχθησαν διάφοροι τύποι αντικειµένων σχεδίασης σε µια διαφάνεια Επιλέχθηκε η κατάλληλη µορφή διαφανειών της τελικής παρουσίασης Χρησιµοποιώντας τα παραπάνω εργαλεία αλλά και άλλα που δεν αναφέρθηκαν, το Power Point επιτρέπει την δηµιουργία µιας παρουσίασης µε εύκολο τρόπο, µε ευέλικτο χειρισµό αλλά πάνω από όλα µια παρουσίαση που πλησιάζει σε µεγάλο βαθµό τις προσδοκίες του δηµιουργού. Επιτρέπει τον εύκολο και συµβατό συνδυασµό κειµένου, εικόνας και σχηµάτων, που δηµιουργήθηκαν από το ίδιο πρόγραµµα είτε µετεφέρθησαν σε αυτό από άλλο πρόγραµµα. Το Power Point 15

17 ενδείκνυται για παρουσιάσεις µε τη µορφή κουκίδων όπου θα καταγράφεται ένα µικρό σε έκταση κείµενο το οποίο θα αποτελεί την ουσία και τα κυριότερα σηµεία του θέµατος που θα εξετάζεται. Σε συνδυασµό µε το κείµενο υπάρχει η δυνατότητα παρουσίας στην ίδια διαφάνεια µιας εικόνας, ενός σχήµατος ή ενός διαγράµµατος σχετικό µε το κείµενο για την καλύτερη κατανόηση του αντικειµένου, αλλά και για την διευκόλυνση του διδάσκοντα, αφού µπορεί µε αυτό τον τρόπο να επεξηγεί µε περισσότερες λεπτοµέρειες τα σχήµατα ή τις εικόνες. Το υλικό που θα παρουσιαστεί µέσω του προγράµµατος µπορεί να µορφοποιηθεί µε διάφορα χρώµατα, διάφορα στυλ, προσαρµοσµένο φόντο ανάλογα µε τις προτιµήσεις του δηµιουργού. Το πλεονέκτηµα για τα παραπάνω είναι ότι ο δηµιουργός µιας παρουσίασης µπορεί εύκολα να δηµιουργήσει µια παρουσίαση κατά τις προτιµήσεις του αλλά και ανάλογα µε το θέµα που πραγµατεύεται η παρουσίαση. Ένα σηµαντικό κεφάλαιο στο Power Point και αυτό που το κάνει να διαφέρει από τις άλλες εφαρµογές του πακέτου του office είναι η δυνατότητα δυναµικής παρουσίασης αλλά και οι προσαρµοσµένες κινήσεις που διαθέτει τόσο σε αντικείµενα των διαφανειών όσο και στις ίδιες τις διαφάνειες. Ο δηµιουργός της παρουσίασης µπορεί να προσθέσει κινήσεις όπως εισόδους, εξόδους, ή άλλες προσαρµοσµένες κινήσεις σε οποιοδήποτε αντικείµενο της διαφάνειας όπως κείµενο, σχήµα, εικόνα κ.α. Έτσι η παρουσίαση γίνεται πιο ελκυστική και έλκει την προσοχή αυτών που την παρακολουθούν. Εκτός από την εντυπωσιακή παρουσίαση η χρήση κινήσεων βοηθά τον διδάσκοντα να εξηγήσει αυτό που θέλει καλύτερα µε την χρήση κινούµενης εικόνας, αλλά και τον φοιτητή να αντιληφθεί και να κατανοήσει καλύτερα το αντικείµενο αφού αυτά που χρειάζεται να φανταστεί είναι λιγότερα! 16

18 Τέλος αξίζει να αναφερθεί η δυναµική παρουσίαση που επιτρέπει το Power Point. Κατά την ώρα της παρουσίασης ο διδάσκων µπορεί να µεταβεί εύκολα και γρήγορα σε όποιο σηµείο της παρουσίασης και σε όποια διαφάνεια θέλει. Επίσης, αν έχουν χρησιµοποιηθεί κινήσεις, δυναµικά µπορεί να εφαρµόσει τις κινήσεις ή να τις επαναλάβει εύκολα και γρήγορα. 17

19 2.2 Πως γίνεται η εκπαίδευση Έχουµε αναφερθεί παραπάνω για τα πλεονεκτήµατα και τους λόγους χρησιµοποίησης του Power Point για την παρουσίαση ενός θέµατος και για την συγκεκριµένη εργασία των ψηφιακών συστηµάτων. Τα χαρακτηριστικά του προγράµµατος και οι ευκολίες που προσφέρει δεν έχουν να κάνουν µόνο µε την ευκολία στη δηµιουργία της παρουσίασης αλλά ούτε και µόνο µε την εντυπωσιακή εµφάνιση της παρουσίασης µε τη χρήση πολυµεσικών στοιχείων, έχει να κάνει και µε την εκπαιδευτική διαδικασία. Οι παρουσιάσεις µε χρήση του Power Point είναι ένα ισχυρό εκπαιδευτικό εργαλείο για τον διδάσκοντα αφού σε συνδυασµό µε τα κλασσικά συγγράµµατα µπορούν να αποτελέσουν ένα ολοκληρωµένο εκπαιδευτικό υλικό στα χέρια των φοιτητών. Το εκπαιδευτικό υλικό µε τη µορφή παρουσιάσεων ενδείκνυται για χρήση µέσα σε αίθουσα µαθηµάτων ή αµφιθέατρο. Στις παρουσιάσεις ο διδάσκων µπορεί να συµπεριλάβει ένα µεγάλο εύρος θεµάτων και ύλης αφού χάρη στη φύση και την µορφή των διαφανειών µπορεί να καλυφτεί µε µικρό σχετικά κόπο και αριθµό διαφανειών. Οι διαφάνειες µπορούν να έχουν µικρό σε έκταση κείµενο µε µορφή κουκίδων που θα αποτελούν τα σηµαντικότερα σηµεία του θέµατος πλαισιωµένα από σχετικά σχήµατα, εικόνες ή σχεδιαγράµµατα. Τα αντικείµενα αυτά µπορούν να έχουν κίνηση ή διαφορετικά χρώµατα αν θέλουν να τονίσουν κάποια διαφορά. Με τη χρήση κινήσεων ο διδάσκων µπορεί να εξηγήσει µε κατανοητό τρόπο κάποιο σηµείο που κρίνει ότι θέλει περαιτέρω επεξήγηση ή κάποιο συγκεκριµένο παράδειγµα. 18

20 Για παράδειγµα, για το µάθηµα των ψηφιακών συστηµάτων και συγκεκριµένα για την ενότητα των ψηφιακών πυλών, ο διδάσκων µπορεί εύκολα µε χρήση των εργαλείων σχεδίασης που προσφέρει το Power Point να σχεδιάσει ένα κύκλωµα που θα περιέχει διάφορες πύλες ( not, or, and ). Για την καλύτερη επεξήγηση των εξόδων των πυλών σε σχέση µε τις εισόδους που εφαρµόζουµε (0,1) ο διδάσκων µπορεί εύκολα χρησιµοποιώντας την προσαρµοσµένη κίνηση που προσφέρει το πρόγραµµα να δείξει τις τιµές εξόδων των εσωτερικών πυλών µέχρι την τελική έξοδο. Από τη µεριά του φοιτητή οι παρουσιάσεις είναι πολύ χρήσιµες µιας και µε τη βοήθεια αυτών µπορεί να κατανοήσει την ουσία του θέµατος και να µελετήσει παραδείγµατα που όπως ξέρουµε είναι πολύ χρήσιµα για την κατανόηση οποιαδήποτε αντικειµένου. Ο φοιτητής έχοντας ως οδηγό τις διαφάνειες µπορεί να οργανώσει το διάβασµα του σε συνδυασµό βέβαια και µε το κατάλληλο βιβλίο. ιαβάζοντας τις διαφάνειες ο φοιτητής ξέρει ποια σηµεία είναι τα σηµαντικά από την ύλη και ανατρέχοντας στο σχετικό βιβλίο µελετά το θέµα πιο εµπεριστατωµένα µε όλες τις λεπτοµέρειες. 19

21 Κεφάλαιο 3 Περιγραφή κεφαλαίων Σε αυτή την ενότητα θα περιγράψουµε το περιεχόµενο κάθε κεφαλαίου που περιέχει το εκπαιδευτικό υλικό. Εκτός από την περιγραφή, θα παρατεθούν και κάποια παραδείγµατα ενδεικτικά της ύλης του κάθε κεφαλαίου. 3.1 Κεφάλαιο 1 Βασικές έννοιες σχεδίασης Ψηφιακά ολοκληρωµένα κυκλώµατα: Γίνεται µια εισαγωγή για τα ολοκληρωµένα ψηφιακά κυκλώµατα και µια σύντοµη ιστορική αναδροµή για την εξέλιξη τους. Τα ψηφιακά κυκλώµατα αποτελούν το υλικό των ψηφιακών συστηµάτων όπως των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Ονοµάζονται ψηφιακά εξαιτίας του τρόπου που παριστάνεται η πληροφορία, καθώς τα ηλεκτρονικά σήµατα αντιστοιχούν σε ψηφία πληροφορίας. Η τεχνολογία που χρησιµοποιείται για τη δόµηση ψηφιακών συστηµάτων έχει εξελιχθεί δραµατικά κατά τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες.έως τη δεκαετία 1960 τα λογικά κυκλώµατα κατασκευάζονται από ογκώδη τεµάχια, όπως είναι τα τρανζίστορ και οι αντιστάσεις, τα οποία συνδέονταν ως ξεχωριστά κοµµάτια. Η ανάπτυξή των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων κατέστησε δυνατή τη τοποθέτηση πολλών τρανζίστορ, και εποµένως ενός ολόκληρου κυκλώµατος, µέσα σε ένα τεµάχιο που ονοµάζεται ολοκληρωµένο κύκλωµα ή τσιπ (chip). Στην αρχή τα κυκλώµατα αυτά περιείχαν λίγα 20

22 τρανζίστορ αλλά καθώς η τεχνολογία εξελισσόταν έγιναν πολλά. Τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα κατασκευάζονται επάνω σε δίσκους πυριτίου, ο δίσκος κόβεται και δηµιουργούνται τα επιµέρους ολοκληρωµένα κυκλώµατα τα οποία τη συνεχεία τοποθετούνται σε µία κατάλληλη συσκευασία. Στα περισσότερα ψηφιακά προϊόντα είναι αναγκαία η σχεδίαση και κατασκευή κάποιων λογικών κυκλωµάτων από την αρχή. Για την υλοποίηση τέτοιων κυκλωµάτων µπορούν να χρησιµοποιηθούν τρεις µορφές ολοκληρωµένων κυκλωµάτων: τα τυπικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα, οι διατάξεις προγραµµατιζόµενης λογικής και τα ειδικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα. Ονοµάστηκαν τυπικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα επειδή εν γένει βρίσκονται σε συµφωνία µε θεσπισµένα πρότυπα, όσον αφορά τη λειτουργία τους και τη φυσική τους οργάνωση. Το κάθε πρότυπό ολοκληρωµένο κύκλωµα περιέχει ένα µικρό κύκλωµα και εκτελεί µια συγκεκριµένη λειτουργία. Σε αντίθεση µε τα τυπικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα, είναι δυνατή η ανάπτυξη ολοκληρωµένων που περιέχουν κυκλώµατα που τα οποία µπορούν να οργανωθούν από το χρήστη, ώστε να υλοποιούν διάφορα λογικά κυκλώµατα. Τα κυκλώµατα αυτά έχουν µια πολύ γενική δοµή και περιλαµβάνουν ένα σύνολο προγραµµατιζόµενων λογικών διακοπτών (programmable logic switches), οι οποίοι επιτρέπουν τα εσωτερικά κυκλώµατα του ολοκληρωµένου κυκλώµατος να οργανώνονται µε διάφορους τρόπους. Οι διακόπτες προγραµµατίζονται από το τελικό χρήστη και όχι από τη κατασκευάστρια εταιρία, κατά το διάστηµα κατασκευής του ολοκληρωµένου κυκλώµατος. Τα ολοκληρωµένα αυτά κυκλώµατα ονοµάζονται διατάξεις προγραµµατιζόµενης λογικής(programmable logic devices, PLDs). 21

23 Σε µερικές περιπτώσεις είναι προτιµότερο η σχεδίαση ενός ολοκληρωµένου κυκλώµατος να αρχίσει από το µηδέν: σχεδιάζεται το λογικό κύκλωµα, τοποθετείται στο ολοκληρωµένο κύκλωµα και επιλέγεται η τεχνολογία για την υλοποίηση του. Η προσέγγιση αυτή ονοµάζεται ειδική σχεδίαση και αυτά τα κυκλώµατα ειδικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα. ιαδικασία σχεδίασης: πρέπει να γίνουν συγκεκριµένα βήµατα ανάπτυξης κατά τη διαδικασία αυτή εάν πρόκειται το τελικό προϊόν να πληροί κάποιες προδιαγραφές. Περιγράφεται ένας τυπικός κύκλος ανάπτυξης : Καθορισµός προδιαγραφών Αρχική σχεδίαση Προσοµοίωση Έλεγχος ορθής σχεδίασης. Αν σχεδιάστηκε σωστά συνεχίζει, αλλιώς σχεδιάζεται ενεού. Υλοποίηση πρωτότυπου Έλεγχος Έλεγχος αν πληροί τις προδιαγραφές.αν ναι συνεχίζει,αν όχι γίνονται διορθώσεις Τελικό προϊόν Σχεδίαση ψηφιακών συστηµάτων: έχουµε το βασικό βρόχο σχεδίασης και τη σχεδίαση µιας µονάδας ψηφιακού συστήµατος. 22

24 Οποιαδήποτε διαδικασία σχεδίασης αποτελείται από µια βασική ακολουθία ενεργειών: Σχεδίαση µιας µονάδας ψηφιακού συστήµατος: όλα τα προϊόντα των ψηφιακών συστηµάτων εν γένει περιλαµβάνουν µία η περισσότερες πλακέτες (PCB) που περιέχουν διάφορα ολοκληρωµένα κυκλώµατα και άλλα εξαρτήµατα. Η ανάπτυξη ξεκινά µε τον µε τον ορισµό της γενικής δοµής έπειτα επιλέγονται τα κατάλληλα ολοκληρωµένα κυκλώµατα και σχεδιάζονται οι πλακέτες που στηρίζουν και συνδέουν τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα.εάν τα κυκλώµατα περιλαµβάνουν PLDs ή ειδικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα, τα κυκλώµατα αυτά πρέπει να σχεδιαστούν προτού σχεδιαστεί η πλακέτα (PCB). 3.2 Κεφάλαιο 2 - Εισαγωγή στα λογικά κυκλώµατα Η χρήση των λογικών κυκλωµάτων στους υπολογιστές αποτελεί βασικό κίνητρο για τη µελέτη τους. Αυτά όµως τα κυκλώµατα αποτελούν τη βάση και άλλων ψηφιακών συστηµάτων, στα οποία η εκτέλεση αριθµητικών πράξεων σε αριθµούς δεν αποτελεί και τον κύριο στόχο. Για παράδειγµα, µυριάδες εφαρµογών ελέγχου διέπονται από µερικές απλές 23

25 λογικές πράξεις που εκτελούνται σε κάποιες πληροφορίες εισόδου, χωρίς να απαιτείται η εκτέλεση περίπλοκων αριθµητικών υπολογισµών. Εισαγωγή στα προγράµµατα σχεδίασης CAD: Τα λογικά κυκλώµατα που υπάρχουν στα περίπλοκα συστήµατα, όπως αυτά που υπάρχουν στους σηµερινούς υπολογιστές, είναι αδύνατο να σχεδιαστούν µε το χέρι. Αυτά σχεδιάζονται µε τη βοήθεια ειδικευµένων εργαλείων σχεδίασης CAD, τα οποία υλοποιούν αυτόµατα τις τεχνικές σύνθεσης. Η τυπική ροή της σχεδίασης που ακολουθεί εν γένει ένας σχεδιαστής φαίνεται στο σχήµα 2.1. Μετά από την εισαγωγή σχεδίασης, τα εργαλεία αρχικής σύνθεσης εκτελούν διάφορα βήµατα. Εάν η συνάρτηση περιγράφεται από ένα πίνακα αλήθεια, εφαρµόζεται ο τρόπος σύνθεσης και παράγεται µια λογική έκφραση για τη συνάρτηση. Στη περίπτωση που χρησιµοποιείται η γλώσσα VHDL η διαδικασία µετάφρασης µετατρέπει τον πηγαίο κώδικα σε γλώσσα VHDL σε λογικές συνάρτησης, οι οποίες µπορούν να παρασταθούν από λογικές εκφράσεις. Ο σχεδιαστής µπορεί να χρησιµοποιήσει ένα µείγµα µεθόδων εισαγωγής σχεδίασης. Στο σχήµα 2.1 φαίνεται αυτή η ευελιξία στο βήµα που αναγράφεται ως συνένωση, στο οποίο τα επιµέρους στοιχεία που δηµιουργούνται από τις υπάρχουσες µεθόδους εισαγωγής σχεδίασης συνενώνονται αυτόµατα σε ένα µοναδικό σχέδιο. Στο σηµείο αυτό το κύκλωµα παριστάνεται ως σύστηµα σχεδίασης CAD ως ένα σύνολο λογικών εξισώσεων. 24

26 σχήµα 2.1 Αφότου γίνει η αρχική σύνθεση, είναι δυνατή η επαλήθευση της σωστής λειτουργίας του σχεδιασµένου κυκλώµατος µε τη βοήθεια της προσοµοιώσεις λειτουργίας. Εφόσον δεν διαπιστώνεται η ύπαρξη επιπλέον σφαλµάτων ο σχεδιαστής µπορεί να συνεχίσει µε τα επόµενα εργαλεία του προγράµµατος σχεδίασης CAD. Αυτά περιλαµβάνουν τη λογική σύνθεση, τη σύνθεση µορφής, την προσοµοίωση χρονισµού κ.α. Εισαγωγή στη γλώσσα VHDL: όταν χρησιµοποιούνται εργαλεία σχεδίασης CAD για τη σύνθεση λογικών κυκλωµάτων, ο σχεδιαστής µπορεί να δίνει την αρχική περιγραφή του κυκλώµατος µε διαφόρους τρόπους. Ένας τρόπος είναι η περιγραφή σε πηγαίο κώδικα, δηλαδή πρόγραµµα, στη γλώσσα VHDL. 25

27 Η γλώσσα VHDL δηµιουργήθηκε στα πλαίσια αυτής της προσπάθειας και έγινε η πρότυπη βιοµηχανική γλώσσα περιγραφής των ψηφιακών κυκλωµάτων, κατά κύριο λόγο επειδή αποτελεί πρότυπο του ινστιτούτου IEEE. Ο µεταφραστής της γλώσσας VHDL µεταφράζει το πρόγραµµα σε ένα λογικό κύκλωµα. Κάθε λογικό σήµα στο κύκλωµα παριστάνεται στη γλώσσα VHDL από ένα αντικείµενο δεδοµένων. Όπως ακριβώς δηλώνονται οι µεταβλητές στις ανώτερες γλώσσες προγραµµατισµού ως ακέραιοι, χαρακτήρες, πραγµατικοί αριθµοί κ.α., έτσι και στη γλώσσα VHDL τα αντικείµενα δεδοµένων µπορεί να είναι διαφόρων τύπων. Γράφοντας απλό πρόγραµµα στη γλώσσα VHDL: για να δείξουµε πώς γράφεται ένα πρόγραµµα στη γλώσσα VHDL θα χρησιµοποιήσουµε ένα παράδειγµα. Ας θεωρήσουµε το λογικό κύκλωµα του σχήµατος 2.2. σχήµα 2.2 Ο πλήρης πηγαίος κώδικας για το παράδειγµα µας παρουσιάζεται στο σχήµα 2.3. Το παράδειγµα αυτό δείχνει ότι ένα αρχείο προγράµµατος σε γλώσσα VHDL διαθέτει δύο κύριους τοµείς: µια οντότητα και µία αρχιτεκτονική. 26

28 ENTITY example1 IS PORT ( x1, x2, x3 : IN BIT ; f : OUT BIT ); END example1 ; ARCHITECTURE LogicFunc OF example1 IS BEGIN f <= (x1 AND x2) OR (NOT x2 AND x3) ; END LogicFunc ; Σχήµα 2.3 πλήρης κώδικας στη γλώσσα VHDL 3.3 Κεφάλαιο 3 Τεχνολογίες Υλοποίησης Στο κεφάλαιο 1 αναφέρθηκε ότι τα λογικά κυκλώµατα υλοποιούνται µε τη βοήθεια τρανζίστορ και ότι υπάρχουν σήµερα διάφορες τεχνολογίες υλοποίησης.στο παρόν κεφάλαιο θα διερευνήσουµε τις τεχνολογίες αυτές µε περισσότερη λεπτοµέρεια. ιατάξεις προγραµµατιζόµενης λογικής: Είναι δυνατόν να κατασκευαστούν ολοκληρωµένα κυκλώµατα που θα περιέχουν σχετικά µεγάλα λογικά κυκλώµατα µε µια δοµή που δεν είναι συγκεκριµένη. Τέτοια κυκλώµατα δηµιουργήθηκαν κατά τη δεκαετία του 1970 και ονοµάζονται διατάξεις προγραµµατιζόµενης λογικής (programmable logic devices, PLD). Ένα PLD είναι ένα ολοκληρωµένο κύκλωµα γενικής χρήσης που µπορεί να υλοποιήσει διάφορα λογικά κυκλώµατα. Περιέχει ένα σύνολο λογικών στοιχείων που µπορούν να οργανωθούν µε διάφορους τρόπους. Ένα PLD µπορεί να θεωρηθεί ως ένα µεγάλο µαύρο κουτί που περιέχει λογικές πύλες και προγραµµατιζόµενους διακόπτες, όπως φαίνεται στο σχήµα

29 σχήµα 3.1 ιάταξη προγραµµατιζόµενης λογικής PLA : η πρώτη µορφή PLD που αναπτύχθηκε ήταν η διάταξη προγραµµατιζόµενης λογικής PLA (programmable logic array). Η γενική δοµή ενός PLA φαίνεται στο σχήµα 3.2. Στηριζόµενο στο γεγονός ότι η λογικές συναρτήσεις µπορούν να υλοποιηθούν µε τη µορφή του αθροίσµατος γινοµένων, το PLA αποτελείται από ένα σύνολο πυλών AND που τροφοδοτούν ένα σύνολο πυλών OR. σχήµα

30 ιάταξη προγραµµατιζόµενης λογικής PAL: ένα ολοκληρωµένο κύκλωµα γνωστό ως διάταξης προγραµµατιζόµενης λογικής PAL ( programmable array logic) κατασκευάζεται πιο εύκολα, είναι πιο οικονοµικό και έχει καλύτερη απόδοση και για αυτό χρησιµοποιείται ευρέως σε πρακτικές εφαρµογές. Προγραµµατισµός των διατάξεων PLA και PAL: Η διαδικασία προγραµµατισµού µπορεί να διαρκέσει µερικά λεπτά. Συνήθως η µονάδα προγραµµατισµού µπορεί να διαβάσει την κατάσταση κάθε διακόπτη αφότου περατωθεί ο προγραµµατισµός, για να επιβεβαιώσει ότι αυτό έχει γίνει κανονικά. Μια λεπτοµερείς περιγραφή της διαδικασίας προβλέπεται µε τη χρήση εργαλείων προγραµµάτων CAD. Πολύπλοκες διατάξεις προγραµµατιζόµενης λογικής (CPLD): για την υλοποίηση κυκλωµάτων που απαιτούν περισσότερες εισόδους και εξόδους τα PLA και PAL µπορούν να υλοποιηθούν µε τη βοήθεια ενός πιο ειδικευµένου ολοκληρωµένου κυκλώµατος, που ονοµάζεται πολύπλοκη διάταξη προγραµµατιζόµενης λογικής (compex PLD). Ένα CPLD αποτελείται από πολλές βαθµίδες κυκλωµάτων που ευρίσκονται µέσα στο ίδιο ολοκληρωµένο κυκλώµατος και συνδέονται µεταξύ τους µε εσωτερικές καλωδίωσης. Κάθε βαθµίδα κυκλώµατος µοιάζει µε ένα PLA ή PAL. ιατάξεις πυλών προγραµµατιζόµενου πεδίου (FPGA): µε βάση τα σύγχρονα πρότυπα, ένα λογικό κύκλωµα µε πύλες δεν είναι µεγάλο. Για την υλοποίηση µεγαλύτερων κυκλωµάτων είναι βολικό να χρησιµοποιούµε ένα διαφορετικό είδος ολοκληρωµένων κυκλωµάτων που έχει µεγαλύτερη λογική χωρητικότητα. Η λογικές διατάξεις πυλών προγραµµατιζόµενου πεδίου (field-programmable gate arrays) είναι διατάξεις προγραµµατιζόµενης λογικής που υποστηρίζουν την υλοποίηση µεγάλων κυκλωµάτων. Οι διατάξεις FPGA διαφέρουν σηµαντικά από τα 29

31 CPLD και SPLD επειδή δεν περιέχουν πύλες AND και OR. Αντίθετα, τα FPGAs περιέχουν λογικές βαθµίδες για την υλοποίηση των ζητούµενων συναρτήσεων. Ειδικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα, τυποποιηµένες κυψέλες κ διατάξεις πυλών: Παρέχουν τον µεγαλύτερο αριθµό λογικών πυλών και την µεγαλύτερη ταχύτητα. Πριν την ανάπτυξη ενός PLD δηµιουργείται ένα ειδικό ολοκληρωµένο κύκλωµα (custom chip). Σένα τέτοιο κύκλωµα ο σχεδιαστής έχει την δυνατότητα να πραγµατοποιήσει όποια οργάνωση επιθυµεί. Το κόστος ανάπτυξης του είναι ακριβό και χρησιµοποιούνται µόνο όπου απαιτείται µεγάλος αριθµός τρανζίστορ και υψηλή ταχύτητα λειτουργίας παραδείγµατα τέτοιον προϊόντων είναι οι µικροεπεξεργαστές και τα κυκλώµατα µνήµης. Η τεχνολογία των τυποποιηµένων κυψελών χρησιµοποιείται για να αποφύγουµε ένα τµήµα σχεδίασης ενός ειδικού ολοκληρωµένου κυκλώµατος, τα κυκλώµατα αυτά είναι γνωστά ως ειδικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα εφαρµογής. Το κύκλωµα δηµιουργείται από την αρχή σύµφωνα µε τις ανάγκες του χρήστη. Στην τεχνολογία διάταξης πυλών κάποια τµήµατα του ολοκληρωµένου κυκλώµατος οργανώνονται εκ των προτέρων και άλλα τµήµατα σχεδιάζονται σύµφωνα µε τις ανάγκες του συγκεκριµένου κυκλώµατος του χρήστη. Η τεχνολογία διάταξης πυλών κατασκευάζει τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα µε µια ακολουθία βηµάτων, εκεί δηµιουργούνται τα τρανζίστορ και οι γραµµές σύνδεσης των τρανζίστορ. Εδώ οι απαιτήσεις του χρήστης δεν λαµβάνεται υπόψη, τα αναλαµβάνει όλα η κατασκευάστρια εταιρία. 30

32 Λεπτοµέρειες για την υλοποίηση των διατάξεων SPLD CPLD και FPGA : Στις διατάξεις SPLD χρησιµοποιούνται κυρίως δύο τεχνολογίες για την κατασκευή προγραµµατιζόµενων διακοπτών. Η προηγούµενη τεχνολογία στηρίζεται στη χρήση ασφαλειών µεταλλικού κράµατος, που λειτουργούν ως προγραµµατιζόµενες συνδέσεις, σε αυτά τα PAL και τα PLA κατασκευάζονταν µε το κάθε ζεύγος διασταυρωµένα οριζόντια και κατακόρυφα τα καλώδια να συνδέονται µε ασφάλεια, έπειτα όταν το ολοκληρωµένα κύκλωµα προγραµµατίζεται, καίγεται η ασφάλεια που αντιστοιχεί σε κάθε ανεπιθύµητη σύνδεση. Στις σύγχρονες διατάξεις PAL και PLA οι προγραµµατιζόµενοι διακόπτες υλοποιούνται µε την βοήθεια ενός ειδικού προγραµµατιζόµενου τρανζίστορ, η ίδια τεχνολογία µπορεί επίσης να χρησιµοποιηθεί και στα CPLD. Για να είναι χρήσιµο ένα PLA για την υλοποίηση πολλών λογικών συναρτήσεων, θα πρέπει να µπορεί να υποστηρίζει συναρτήσεις µόλις µερικών µεταβλητών και συναρτήσεις πολλών µεταβλητών. 3.4 Κεφάλαιο 4 Βελτιστοποίηση της υλοποίησης λογικών κυκλωµάτων Πρακτικά Ζητήµατα : Περιγράφοντας τα εργαλεία σχεδίασης CAD αναφέρουµε δύο όρους που χρησιµοποιούνται στη βιοµηχανία, λογική σύνθεση ανεξάρτητη της τεχνολογίας υλοποίησης και τον όρο χαρτογράφηση τεχνολογίας. Ο πρώτος αναφέρεται σε τεχνικές που εφαρµόζονται για τη βελτιστοποίηση ενός κυκλώµατος χωρίς να λαµβάνονται υπόψη οι πόροι που απαιτούνται να υπάρχουν στο ολοκληρωµένο κύκλωµα που θα χρησιµοποιηθεί. 31

33 Ο δεύτερος όρος αναφέρεται στις τεχνικές που χρησιµοποιούνται για να διασφαλιστεί ότι το κύκλωµα που παράγεται από τη λογική σύνθεση µπορεί να υλοποιηθεί χρησιµοποιώντας τους λογικούς πόρους του ολοκληρωµένου κυκλώµατος που θα χρησιµοποιηθεί. Πχ. Ο µετασχηµατισµός ενός κυκλώµατος από κύκλωµα πυλών AND- OR σε κύκλωµα αποκλειστικά πυλών NAND. Εργαλεία σχεδίασης CAD: Σε αυτήν την ενότητα περιγράφουµε τα τυπικά εργαλεία ενός συστήµατος σχεδίασης CAD για την εκτέλεση λογικής σύνθεσης και βελτιστοποίησης, φυσικής σχεδίασης και προσοµοίωσης χρονισµού. Τα εργαλεία αυτά εκτελούν τις ακόλουθες εργασίες: Εισαγωγή σχεδίου(design entry): επιτρέπει στον σχεδιαστή να εισάγει την περιγραφή του επιθυµητού κυκλώµατος µε τη µορφή πίνακα αλήθειας, σχηµατικού διαγράµµατος, ή προγράµµατος σε γλώσσα HDL. Αρχική σύνθεση(intial synthesis): δηµιουργεί το αρχικό κύκλωµα µε βάση τα δεδοµένα που έχουν εισαχθεί κατά το στάδιο της εισαγωγής σχεδίου. Προσοµοίωση λειτουργίας (timing simulation): χρησιµοποιείται για να επαλήθευση τη λειτουργία του κυκλώµατος µε βάση εισόδους που παρέχει ο σχεδιαστής. Λογική σύνθεση και βελτιστοποίηση (logical synthesis and optimization): χρησιµοποιεί τεχνικές βελτιστοποίησης µε σκοπό τη δηµιουργία του βέλτιστοι κυκλώµατος. 32

34 Φυσική σχεδίαση(physical design): προσδιορίζει τον τρόπο υλοποίησης του βελτιστοποιηµένου κυκλώµατος µε βάση µια επιθυµητή τεχνολογία για παράδειγµα ένα ολοκληρωµένο κύκλωµα PLD. Προσοµοίωση χρονισµού(timing simulation): προσδιορίζει τις καθυστερήσεις διάδοσης που αναµένεται να προκύψουν στο πραγµατικό κύκλωµα. Οργάνωση ολοκληρωµένου κυκλώµατος (chip configuration): οργανώνει το ολοκληρωµένο κύκλωµα καθαυτό, ώστε να υλοποιεί το επιθυµητό λογικό κύκλωµα. Λογική σύνθεση και βελτιστοποίηση: Οι τεχνικές βελτιστοποίησης εφαρµόζονται αυτόµατα από τα εργαλεία σχεδίασης CAD κατά την σύνθεση των λογικών συναρτήσεων. Το κύκλωµα που έχει παραχθεί εξαρτάται από το είδος των διατιθέµενων λογικών πόρων στο ολοκληρωµένο κύκλωµα-στόχο και από το συγκεκριµένο πρόγραµµα σχεδίασης CAD που χρησιµοποιείται. Φυσική σχεδίαση: Το επόµενο βήµα τις διαδικασίας σχεδίασης είναι µε βάση την επιθυµητή τεχνολογία ο επακριβής προσδιορισµός της υλοποίησης του κυκλώµατος, περιλαµβάνει δύο κύρια µέρη: 1) Τοποθέτηση: προσδιορίζει σε ποιο σηµείο της συσκευής στόχου θα πρέπει να υλοποιηθεί η κάθε λογική συνάρτηση του βελτιστοποιηµένου κυκλώµατος διαδικασία αυτή εξαρτάτε ισχυρά από την τεχνολογία υλοποίησης. 33

35 2) ροµολόγηση: µετά την ολοκλήρωση του παραπάνω αποφασίζουµε ποια από τα καλώδια που έχει το ολοκληρωµένο κύκλωµα θα χρησιµοποιηθούν για τις απαιτούµενες διασύνδεσης. Εδώ επίσης έχουµε µία ισχυρή εξάρτηση από την τεχνολογία υλοποίησης. Προσοµοίωση χρονισµού: Προσοµοιώνει τις πραγµατικές καθυστερήσεις διάδοσης που αναµένεται να εµφανιστούν και εξαρτώνται από την τεχνολογία που έχει επιλεγεί. Συνοπτική Παρουσίαση της ροής της διαδικασίας σχεδίασης Στο σχήµα 4.1 φαίνεται η διαδικασία σχεδίασης ενός πλήρους συστήµατος σχεδίασης CAD. σχήµα

36 3.5 Κεφάλαιο 5 Παράσταση αριθµών και αριθµητικά κυκλώµατα Στο παρόν κεφάλαιο θα εξετάζονται τα λογικά κυκλώµατα που εκτελούν αριθµητικές πράξεις. Εξηγείται ο τρόπος µε τον οποίο οι αριθµοί προστίθενται, αφαιρούνται και πολλαπλασιάζονται. Εξηγείται επίσης ο τρόπος µε τον οποίο γράφονται προγράµµατα σε VHDL για την περιγραφή αριθµητικών κυκλωµάτων. Τα κυκλώµατα αυτά αποτελούν ένα εξαίρετο παράδειγµα για την επίδειξη των δυνατοτήτων και της ευελιξίας της γλώσσας VHDL στο αντικείµενο του προσδιορισµού περίπλοκων λογικών κυκλωµάτων. Οι έννοιες που υπεισέρχονται στη σχεδίαση των αριθµητικών κυκλωµάτων εφαρµόζονται σε µία ποικιλία διαφόρων κυκλωµάτων. Πρόσθεση µη-προσηµασµένων αριθµών: εξηγείται η πρόσθεση µηπροσηµασµένων αριθµών µε χρήση πυλών XOR, η σύνθεση πλήρη αθροιστή από ηµιαθροιστές και ο αθροιστής διάδοσης κρατουµένου. Προσηµασµένοι αριθµοί: Στο δυαδικό σύστηµα το πρόσηµο ενός αριθµού δείχνεται από το περισσότερο σηµαντικό bit MSB, εάν το αριστερό bit είναι 0 τότε µιλάµε για θετικό αριθµό και 1 αν είναι αρνητικό. Άρα στους προσηµασµένους αριθµούς το αριστερό bit είναι αντιπροσωπεύει το πρόσηµο και τα υπόλοιπα n-1 ψηφία το µέτρο του αριθµού. Περιγράφονται οι αρνητικοί αριθµοί, η παράσταση προσήµου-µέτρου, η παράσταση µε το συµπλήρωµα ως προς ένα, η παράσταση µε το 35

37 συµπλήρωµα ως προς δύο και ο κανόνας για την εύρεση του συµπληρώµατος ως προς δύο. Εξηγείται η πρόσθεση και η αφαίρεση, πρόσθεση µε την µέθοδο προσήµου-µέτρου, πρόσθεση αριθµών γραµµένων στο συµπλήρωµα ως προς ένα και πρόσθεση αριθµών γραµµένων στο συµπλήρωµα ως προς δύο. Όσον αφορά την αφαίρεση, περιγράφεται η αφαίρεση αριθµών στο συµπλήρωµα ως προς δύο. Επίσης, θίγεται ένα σηµαντικό θέµα στη λογική των πράξεων που είναι η υπερχείλιση κατά τις αριθµητικές πράξεις. Ταχείς αθροιστές: Η επίδοση ενός ψηφιακού συστήµατος εξαρτάται από την ταχύτητα των κυκλωµάτων που σχηµατίζουν τις διάφορες λειτουργικές µονάδες. Για να επιτύχουµε υψηλότερες επιδόσεις εάν τα κυκλώµατα είναι ταχύτερα, χρησιµοποιείται σύγχρονη τεχνολογία, στην οποία οι καθυστερήσεις των βασικών πυλών είναι χαµηλές. Στο σηµείο αυτό περιγράφεται ο αθροιστής πρόβλεψης κρατουµένου. Σχεδίαση αριθµητικών κυκλωµάτων µε πρόγραµµα CAD: Στην παρούσα ενότητα εξηγείται ο τρόπος µε τον οποίο µπορούν να σχεδιαστούν αριθµητικά κυκλώµατα µε τη βοήθεια εργαλείων CAD. Περιγράφεται η σχεδίαση αριθµητικών κυκλωµάτων µε τη βοήθεια σχηµατικών διαγραµµάτων και η σχεδίαση αριθµητικών κυκλωµάτων µε τη γλώσσα VHDL. Παρακάτω παρατίθενται δύο παραδείγµατα αριθµητικών κυκλωµάτων µε χρήση VHDL: 36

38 Στο σχήµα 5.1 παρουσιάζεται ένα παράδειγµα κώδικα σε γλώσσα VHDL για ένα πλήρη αθροιστή. LIBRARY ieee ; USE ieee.std_logic_1164.all ; ENTITY fulladd IS END fulladd ; PORT ( Cin, x, y : IN STD_LOGIC ; s, Cout : OUT STD_LOGIC ) ; ARCHITECTURE LogicFunc OF fulladd IS BEGIN s <= x XOR y XOR Cin ; Cout <= (x AND y) OR (Cin AND x) OR (Cin AND y) ; END LogicFunc ; Σχήμα

39 Στο σχήµα 5.2 παρουσιάζεται ένα παράδειγµα κώδικα σε γλώσσα VHDL για ένα πλήρη αθροιστή τεσσάρων bits. LIBRARY ieee ; USE ieee.std_logic_1164.all ; ENTITY adder4 IS PORT ( Cin : IN STD_LOGIC ; x3, x2, x1, x0 : IN STD_LOGIC ; y3, y2, y1, y0 : IN STD_LOGIC ; s3, s2, s1, s0 : OUT STD_LOGIC ; Cout : OUT STD_LOGIC ); END adder4 ; ARCHITECTURE Structure OF adder4 IS SIGNAL c1, c2, c3 : STD_LOGIC ; COMPONENT fulladd PORT ( Cin, x, y : IN STD_LOGIC ; s, Cout : OUT STD_LOGIC ); END COMPONENT ; Σχήµα 5.2 BEGIN stage0: fulladd PORT MAP ( Cin, x0, y0, s0, c1 ); stage1: fulladd PORT MAP ( c1, x1, y1, s1, c2 ); stage2: fulladd PORT MAP ( c2, x2, y2, s2, c3 ); stage3: fulladd PORT MAP ( Cin => c3, Cout => Cout, x => x3, y => y3, s => s3 ); END Structure ; 38

40 Πολλαπλασιασµός: Ένας δυαδικός αριθµός Β µπορεί να πολλαπλασιαστεί µε τον αριθµό δύο εάν τοποθετήσουµε στα δεξιά του λιγότερο σηµαντικό bit το ψηφίο 0, έτσι έχουµε ολίσθηση του αριθµό προς τα αριστερά κατά µία θέση. Περιγράφεται ο πολλαπλασιασµός σειράς µη-προσηµασµένων αριθµών και ο πολλαπλασιασµός προσηµασµένων αριθµών. 3.6 Κεφάλαιο 6 οµικές βαθµίδες συνδυαστικών κυκλωµάτων Μέχρι τώρα περιγράφηκαν βασικές τεχνικές σχεδίασης λογικών κυκλωµάτων. Στη πράξη συχνά χρησιµοποιούνται µερικοί τύποι λογικών κυκλωµάτων ως δοµικές βαθµίδες µεγαλύτερων κυκλωµάτων. Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται ένας αριθµός τέτοιων βαθµίδων και δίνονται παραδείγµατα χρήσης τους. Πολυπλέκτες: ιαθέτει ένα αριθµό εισόδων δεδοµένων(data inputs),µία ή περισσότερες εισόδους επιλογής δεδοµένων (data select inputs) και µία έξοδο(output). Στο σχήµα 6.1 παρατίθεται ένα παράδειγµα πολυπλέκτη τέσσερα προς ένα. 39

41 σχήµα 6.1 Περιγράφεται η σύνθεση λογικών συναρτήσεων χρησιµοποιώντας πολυπλέκτες καθώς και η σύνθεση πολυπλεκτών µε τη βοήθεια της σχέσης του Shannon. Αποκωδικοποιητές: Χρησιµοποιούνται για να αποκωδικοποιούν κωδικοποιηµένη πληροφορία. Μία έξοδο ενεργοποιείται κάθε φορά και κάθε έξοδος αντιστοιχεί σε ένα συνδυασµό τιµών των εισόδων. ιαθέτει επίσης και µία είσοδο ενεργοποίησης (Εn) η οποία χρησιµοποιείται για να απενεργοποιεί τις εξόδους. Παρατίθεται ένα παράδειγµα που απεικονίζει ένα δυαδικό αποκωδικοποιητή µε n εισόδους και 2 n εξόδους. σχήµα

42 Κωδικοποιητές: Εκτελεί την αντίθετη λειτουργία ενός αποκωδικοποιητή, κωδικοποιεί πληροφορίες σε µία πιο συµπαγή µορφή. Στο κεφάλαιο περιγράφονται οι δυαδικοί κωδικοποιητές και οι κωδικοποιητές προτεραιότητας. Παράδειγµα δυαδικού κωδικοποιητή 2 n προς n φαίνεται στο σχήµα 6.3. σχήµα 6.3 Προγραµµατισµός συνδυαστικών κυκλωµάτων σε γλώσσα VHDL: Στο σχήµα 6.4 περιγράφεται ο πολυπλέκτης τέσσερα προς ένα του σχήµατος 6.1 σε κώδικα γλώσσας VHDL. 41

43 LIBRARY ieee ; USE ieee.std_logic_1164.all ; ENTITY mux4to1 IS PORT ( w0, w1, w2, w3 : IN STD_LOGIC ; S : IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0) ; F : OUT STD_LOGIC ); END mux4to1 ; ARCHITECTURE Behavior OF mux4to1 IS BEGIN WITH s SELECT f <= w0 WHEN "00", w1 WHEN "01", w2 WHEN "10", w3 WHEN OTHERS ; END Behavior ; LIBRARY ieee ; USE ieee.std_logic_1164.all ; PACKAGE mux4to1_package IS COMPONENT mux4to1 PORT ( w0, w1, w2, w3 : IN STD_LOGIC ; s : IN STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0) ; f : OUT STD_LOGIC ); END COMPONENT ; END mux4to1_package ; 42

44 3.7 Κεφάλαιο 7 Flip-Flops, καταχωρητές, µετρητές και ένας απλός επεξεργαστής. Στα προηγούµενα κεφάλια εξετάζονται συνδυάστηκα κυκλώµατα στα οποία οι τιµή της κάθε εξόδου εξαρτάται αποκλειστικά από τις τιµές των σηµάτων που εφαρµόζονται στις εισόδους. Υπάρχει µια άλλη κατηγορία λογικών κυκλωµάτων, στα οποία οι τιµές των εξόδων εξαρτώνται όχι µόνο από τις τρέχουσες τιµές των εισόδων, αλλά και από την προηγούµενη συµπεριφορά του κυκλώµατος. Τέτοια κυκλώµατα είναι τα στοιχεία αποθήκευσης που αποθηκεύουν τις τιµές λογικών σηµάτων. Τα περιεχόµενα των στοιχείων αποθήκευσης λέγεται ότι αντιπροσωπεύουν την κατάσταση (state) του κυκλώµατος. Όταν αλλάξουν οι τιµές των εισόδων του κυκλώµατος, οι νέες τιµές µπορεί να διατηρήσουν το κύκλωµα στην υπάρχουσα κατάσταση ή να το οδηγήσουν σε µια νέα. Καθώς κυλά ο χρόνος ένα κύκλωµα περνά από ένα σύνολο καταστάσεων, ως αποτέλεσµα των αλλαγών στις εισόδους του. Τα κυκλώµατα που συµπεριφέρονται µε αυτόν τον τρόπο λέγονται ακολουθιακά κυκλώµατα. Στο παρόν κεφάλαιο περιγράφονται κυκλώµατα που χρησιµοποιούνται ως στοιχεία αποθήκευσης. Χρονιζόµενος µανδαλωτής SR: Λειτουργεί ως στοιχείο µνήµης, θυµάται την κατάσταση όταν οι είσοδοι S και R είναι ίσες µε µηδέν και αλλάζει κατάσταση αποκρινόµενος στις αλλαγές των δύο παραπάνω σηµάτων εισόδων. Στο σχήµα 7.1 φαίνεται το κύκλωµα του χρονιζόµενου µανδαλωτή SR. 43

45 σχήµα 7.1 Χρονιζόµενος µανδαλωτής D: ο χρονιζόµενος µανδαλωτης D έχει µία είσοδο δεδοµένων που ονοµάζεται D και αποθηκεύει την τιµή που υπάρχει σε αυτήν υπό τον έλεγχο ενός ωρολογιακού σήµατος. D Flip-Flops διατάξεις master-slave και διέγερσης µετώπου: οι συγκεκριµένες διατάξεις περιγράφονται µε το παρακάτω σχήµα (7.2). σχήµα 7.2 Η λειτουργία του κυκλώµατος είναι τέτοια, ώστε όταν ο ωρολογιακός παλµός έχει υψηλή τιµή Clock=1 ο µανδαλωτής master να παρακολουθεί την τιµή του σήµατος της εισόδου D αλλά ο µανδαλωτής slave να µην αλλάζει κατάσταση, η τιµή της εξόδου Qm παρακολουθεί τις αλλαγές της εισόδου, ενώ η έξοδος Qs παραµένει σταθερή. 44

46 Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφεται και η λειτουργία των D Flip-Flops διέγερσης µετώπου καθώς και η λειτουργία των D Flip-Flops µε εισόδους ενεργοποίησης και µηδενισµού. T Flip-Flops: Τα Τ flip-flop είναι ένα κύκλωµα που χρησιµοποιεί ένα D flip-flop θετικής διέγερσης όπου οι συνδέσεις ανάδρασης καθιστούν το σήµα εισόδου D ίσο µε την τιµή Q είτε Q, υπό τον έλεγχο ενός σήµατος Τ, η ονοµασία προέρχεται από τη συµπεριφορά του κυκλώµατος, το οποίο εναλλάσσει την κατάσταση του όταν είναι Τ=1. Η λειτουργία του κυκλώµατος (σχήµα 7.3) είναι ότι διατηρεί την τρέχουσα κατάσταση του όταν είναι Τ=0 και ότι την αντιστρέφει όταν είναι Τ=1. σχήµα 7.3 Jk Flip-flops : Tα JK-flip flops συνδυάζουν την συµπεριφορά των SR και T flip-flops. Αντί να χρησιµοποιήσουµε µια είσοδο ελέγχου Τ χρησιµοποιούµε δύο εισόδους J και K, η είσοδος D ορίζεται ως D=JQ+KQ. Για συνδυασµό τιµών εισόδων συµπεριφέρεται σαν SR flipflop όπου J=S και Κ=R εκτός από J=K=1 όπου συµπεριφέρεται ως ένα T flip-flop (σχήµα 7.4). 45

47 σχήµα 7.4 Καταχωρητές: Ο καταχωρητής είναι ένα σύνολο από n flip-flops που χρησιµοποιούνται για να αποθηκεύσουν n bits πληροφορίας, έχουν ένα κοινό ωρολογιακό σήµα. Στο κεφάλαιο αυτό αναφέρονται δύο είδη καταχρητών: ο καταχωρητής ολίσθησης και ο καταχωρητής ολίσθησης παράλληλης προσπέλασης. Μετρητές: Οι µετρητές χρησιµοποιούνται στα ψηφιακά συστήµατα για πολλούς λόγους, να µετρούν τις φορές που εµφανίστηκαν κάποια γεγονότα, να δηµιουργούν χρονικά διαστήµατα για τον έλεγχο διαφόρων εργασιών ενός συστήµατος κ.ο.κ. Αναλύεται η λειτουργία ασύγχρονων και σύγχρονων µετρητών. Συγχρονισµός Του Μηδενισµού: Όταν ο µετρητής µηδενίζεται κατά το θετικό µέτωπο του ωρολογιακού παλµού έχει τη δυνατότητα σύγχρονου µηδενισµού. 46

48 Άλλες µορφές µετρητών: περιγράφονται τρεις άλλες µορφές µετρητών που µπορούν να βρεθούν σε πρακτικές εφαρµογές. Οι µετρητές που περιγράφονται είναι: ο δεκαδικός, ο κυκλικός και ο µετρητής Jonhson. Χρήση Στοιχειών Αποθήκευσης µε εργαλεία Σχεδίασης CAD: ίνεται ένα παράδειγµα σε γλώσσα VHDL για ένα χρονιζόµενο µανδαλωτη τύπου D. LIBRARY ieee ; USE ieee.std_logic_1164.all ; ENTITY latch IS PORT ( D, Clk : IN STD_LOGIC ; Q : OUT STD_LOGIC) ; END latch ; ARCHITECTURE Behavior OF latch IS BEGIN PROCESS ( D, Clk ) BEGIN IF Clk = '1' THEN Q <= D ; END IF ; END PROCESS ; 47